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Química · Ensino Médio · Matéria e Misturas

Matéria e Misturas

A cozinha e a estação de tratamento de água são os nossos laboratórios, a primeira com a panela, o coador e o sal, a segunda com uma cidade inteira separando barro e microrganismos da água que vai beber. Vamos perguntar como reconhecemos uma substância, como sabemos se algo é mistura e como separamos o que se misturou. Em cada bancada uma lupa mostra as partículas por trás do que vemos a olho nu.

  1. 1Estados físicos
  2. 2Pontos de fusão e ebulição
  3. 3Densidade
  4. 4Substâncias e misturas
  5. 5Fases
  6. 6Misturas heterogêneas
  7. 7Misturas homogêneas
  8. 8Tratamento de água
  9. ✓Desafios
PASSO 1

O que muda quando a matéria muda de estado?

Chamamos de matéria tudo o que tem massa e ocupa espaço, da água do copo ao ar que enche um balão. O Ensino Médio trata de três estados físicos. O sólido tem forma e volume próprios, o líquido tem volume próprio e toma a forma do frasco, e o gás ocupa o frasco inteiro e se deixa comprimir.

A diferença está nas partículas. No sólido elas ficam presas e vibram em volta de um lugar fixo, no líquido continuam juntas e escorregam umas sobre as outras, e no gás estão separadas e voam até bater numa vizinha ou na parede. A agitação cresce com a temperatura, e podemos pensar a mudança de estado como o momento em que essa agitação vence a atração que segurava as partículas no arranjo anterior.

Cada passagem tem nome. Do sólido ao líquido ocorre a fusão, e o caminho de volta é a solidificação. Do líquido ao gás ocorre a vaporização, que se desfaz na condensação. Quando o sólido vira gás sem passar pelo líquido, como a naftalina no armário, falamos em sublimação, e o caminho inverso é a ressublimação, também chamada deposição.

Em todas essas passagens a substância continua sendo ela mesma. A água do gelo, a do copo e a do vapor têm as mesmas moléculas, mais juntas ou mais separadas, e por isso a mudança de estado é um fenômeno físico, que muda o arranjo das partículas e deixa a substância como estava.

sólido ⇄ líquidofusão → · ← solidificaçãolíquido ⇄ gasosovaporização → · ← condensaçãosólido ⇄ gasososublimação → · ← ressublimaçãoAs passagens para a direita pedem energia, e as passagens para a esquerda devolvem energia ao ambiente. A ressublimação também se chama deposição.

Para conversar

  • Com a água a 25 °C, clique em "Empurrar o êmbolo". Por que ele para ao encostar no líquido, e o que a lupa mostra das partículas logo abaixo da superfície?
  • Suba a temperatura devagar até a água ferver e acompanhe a lupa na passagem. O que parece acontecer com a distância entre as partículas, e com a rapidez com que elas se movem?
  • Leve a lupa para o espaço entre a superfície e o êmbolo. Ela mostra "nada aqui" porque deixamos o vapor para o passo 2, mas que motivos teríamos para suspeitar que há algumas moléculas de água ali?
  • Escolha o ferro e procure a temperatura em que ele derrete. Que relação essa temperatura parece ter com o fato de a água aparecer líquida na cozinha e o ferro não?
Estado
Forma própria?
Volume próprio?
Temperatura
Exercícios do passo 1 10 questões · 4 básicas · 4 médias · 2 desafios
  1. básico

    Em que estado físico está cada um destes, à temperatura ambiente: um cubo de gelo, o suco no copo, uma moeda, o ar dentro de uma bola de futebol e o mel no pote?

    Ver resolução
    O cubo de gelo e a moeda têm forma e volume próprios, e são sólidos.
    O suco e o mel têm volume próprio e tomam a forma do recipiente, e são líquidos, embora o mel escorra bem mais devagar.
    O ar ocupa a bola inteira e se deixa comprimir quando a enchemos, e é um gás.
    Sólidos, o gelo e a moeda. Líquidos, o suco e o mel. Gás, o ar da bola.
  2. básico

    Dê o nome da mudança de estado em cada caso: o gelo seco que encolhe sem deixar poça, a roupa que seca no varal, o orvalho que aparece na grama de madrugada e a bolinha de naftalina que some no armário.

    Ver resolução
    O gelo seco é gás carbônico sólido e passa direto a gás, sem poça, o que é uma sublimação. A "fumaça" branca em volta dele é vapor de água do ar que se condensou em gotinhas.
    A água da roupa passa a vapor sem ferver, e isso é uma vaporização, do tipo que chamamos de evaporação.
    O vapor de água do ar esfria na grama e vira líquido, o que é uma condensação.
    A naftalina passa de sólido a gás, outra sublimação.
    Sublimação, vaporização, condensação e sublimação.
  3. básico

    A 1 atm, a água funde a 0 °C e ferve a 100 °C. Em que estado ela está a −10 °C, a 50 °C e a 120 °C?

    Ver resolução
    Abaixo do ponto de fusão a água é sólida, e −10 °C < 0 °C.
    Entre o ponto de fusão e o de ebulição ela é líquida, e 0 °C < 50 °C < 100 °C.
    Acima do ponto de ebulição ela é gasosa, e 120 °C > 100 °C.
    Sólida a −10 °C, líquida a 50 °C e gasosa a 120 °C.
  4. básico

    Por que conseguimos comprimir o ar dentro de uma seringa tapada, e quase nada a água na mesma seringa?

    Ver resolução
    No gás as partículas estão muito separadas, com bastante espaço vazio entre elas, e o êmbolo apenas as aproxima.
    No líquido as partículas já estão praticamente encostadas umas nas outras, e não sobra espaço para aproximá-las mais.
    O gás tem espaço vazio entre as partículas e o líquido quase não tem, e por isso só o gás se comprime de modo apreciável.
  5. médio

    A 1 atm, o etanol funde a −114,1 °C e ferve a 78,3 °C, e o ferro funde a 1538 °C e ferve a 2861 °C. Em que estado está o etanol a −120 °C, 25 °C e 90 °C? E o ferro a 25 °C, 1600 °C e 3000 °C?

    Ver resolução
    Comparamos cada temperatura com o PF e o PE da substância.
    No etanol, −120 °C fica abaixo de −114,1 °C (sólido), 25 °C fica entre os dois pontos (líquido) e 90 °C fica acima de 78,3 °C (gasoso).
    No ferro, 25 °C fica abaixo de 1538 °C (sólido), 1600 °C fica entre 1538 °C e 2861 °C (líquido) e 3000 °C fica acima de 2861 °C (gasoso).
    O etanol está sólido, líquido e gasoso, e o ferro também, nessa ordem.
  6. médio

    Por que dizemos que derreter um cubo de gelo é um fenômeno físico, e queimar uma folha de papel é um fenômeno químico?

    Ver resolução
    Quando o gelo derrete, as moléculas de água continuam as mesmas, apenas deixam o arranjo fixo do sólido e passam a escorregar umas sobre as outras. Se esfriarmos a água de novo, o gelo volta.
    Quando o papel queima, a celulose reage com o oxigênio do ar e forma substâncias novas, como gás carbônico e vapor de água, e as cinzas não voltam a ser papel.
    No fenômeno físico a substância segue a mesma, e no químico surgem substâncias novas.
  7. médio

    Uma poça de água seca no chão num dia de 30 °C, e a água de uma panela ferve no fogão a 100 °C. As duas são vaporizações. O que distingue a evaporação da ebulição?

    Ver resolução
    Na evaporação só as partículas mais agitadas da superfície escapam para o ar. Ela ocorre a qualquer temperatura abaixo do ponto de ebulição e costuma ser lenta.
    Na ebulição o líquido vira vapor também no interior, formando bolhas, a uma temperatura fixa para cada pressão, 100 °C para a água a 1 atm.
    A evaporação acontece na superfície, abaixo do PE e devagar, e a ebulição, no líquido todo, com bolhas, no PE.
  8. médio

    Na bancada, com a água acima de 100 °C, empurramos o êmbolo e o volume do gás cai para um terço. O que acontece com o número de partículas no cilindro, com a distância entre elas e com a densidade do gás?

    Ver resolução
    O cilindro está fechado e nenhuma partícula entra ou sai, de modo que o número de partículas e a massa ficam iguais.
    As mesmas partículas passam a ocupar um terço do volume, e por isso ficam mais perto umas das outras.
    A densidade é a massa dividida pelo volume, e com a massa fixa e o volume dividido por três ela fica três vezes maior.
    O número de partículas não muda, a distância entre elas diminui e a densidade triplica.
  9. desafio

    Em Marte a pressão na superfície é menor que 1% da pressão na superfície da Terra, e o gelo de água exposto ali tende a passar direto a vapor, sem derreter. O que isso sugere sobre a dependência dos pontos de fusão e de ebulição com a pressão?

    Ver resolução
    Os pontos de fusão e de ebulição dependem da pressão, e o de ebulição cai bastante quando a pressão diminui. É por isso que a água ferve abaixo de 100 °C no alto de uma montanha.
    Com a pressão muito baixa, o ponto de ebulição desce até perto do ponto de fusão, e a faixa de temperaturas em que a água fica líquida encolhe até quase sumir.
    Parece plausível, então, que o gelo marciano pule o líquido e sublime, já que não encontra uma faixa de temperatura em que possa ficar líquido.
    A sublimação em Marte sugere que, com pressão baixa o bastante, o PE se aproxima do PF e o estado líquido deixa de aparecer.
  10. desafio

    Use a agitação das partículas para explicar por que um gás ocupa todo o recipiente em que é colocado, por maior que ele seja, enquanto um líquido fica no fundo.

    Ver resolução
    No gás as partículas se movem muito depressa e estão tão afastadas que a atração entre elas quase não conta.
    Cada partícula segue em linha reta até bater numa vizinha ou na parede, e nada a puxa de volta para perto das outras.
    Com o tempo as partículas se espalham por todo o espaço disponível, e o gás passa a ocupar o recipiente inteiro.
    No líquido a atração entre partículas vizinhas ainda segura o conjunto, e a gravidade o mantém no fundo.
    No gás a agitação vence a atração e as partículas se espalham por todo o volume, e no líquido a atração as mantém juntas.
PASSO 2

Como reconhecer uma substância pelo termômetro?

Massa e volume dizem quanto material temos, e por isso as chamamos de propriedades gerais. Um copo e uma piscina cheios de água têm massas muito diferentes e a mesma água dentro. Para saber qual é o material, olhamos para as propriedades específicas, como o ponto de fusão (PF), o ponto de ebulição (PE) e a densidade, que funcionam como uma impressão digital da substância. A 1 atm a água pura funde a 0 °C e ferve a 100 °C, no copo ou na piscina.

Quando aquecemos uma substância pura com o fogo constante, a temperatura sobe, para durante a fusão, volta a subir e para de novo durante a ebulição. Chamamos esses trechos planos da curva de patamares. Enquanto houver sólido derretendo ou líquido fervendo, o calor que chega vai para separar as partículas umas das outras e não aumenta a agitação delas, e o termômetro fica parado. A física desse calor está na aula de Calor e Temperatura.

Numa mistura a curva muda de forma. A água com sal começa a ferver acima de 100 °C e a temperatura continua subindo enquanto ela ferve, porque o vapor que sai é só água e o sal fica para trás. A solução vai ficando mais concentrada, e o seu ponto de ebulição sobe junto. O patamar vira uma rampa, talvez o sinal mais simples de que temos uma mistura nas mãos.

Os PF e PE das tabelas valem para 1 atm, e a pressão importa. Em cidades muito altas, como La Paz, na Bolívia, o ar faz menos pressão sobre a panela e a água ferve bem abaixo de 100 °C, o que tende a deixar o cozimento mais lento.

\(Q = m\,c\,\Delta T\)\(Q = m\,L\)Nos patamares a temperatura não muda, e todo o calor entra em \(Q = m\,L\), com \(L\) o calor latente de fusão ou de vaporização. Fora deles vale \(Q = m\,c\,\Delta T\).

Para conversar

  • Com a água pura, deixe o aquecedor trabalhar até o fim. Quantos patamares aparecem no gráfico, e em que temperaturas eles ficam?
  • Troque para a água com sal e acompanhe o zoom perto da ebulição. Em que temperatura ela começa a ferver, e o que o termômetro faz depois disso?
  • Recomece a água pura com 50 W e depois com 500 W. O que muda na duração de cada patamar, e o que parece não mudar?
  • Aqueça a amostra X, leia os dois patamares e procure a linha da tabela que bate com eles antes de dar o seu palpite. Durante a ebulição, leve a lupa ao líquido e ao espaço acima dele.
Temperatura
Fase
Patamar de fusão
Patamar de ebulição
Tempo (min:s)
PF e PE a 1 atm
SubstânciaPF (°C)PE (°C)
Exercícios do passo 2 10 questões · 4 básicas · 4 médias · 2 desafios
  1. básico

    Separe em propriedades gerais e específicas: a massa, o ponto de ebulição, o volume, a densidade e o ponto de fusão.

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    Uma propriedade geral depende da quantidade de material e não diz qual é ele. A massa e o volume crescem junto com a amostra e servem para qualquer material.
    Uma propriedade específica tem um valor próprio para cada substância, nas mesmas condições, seja a amostra grande ou pequena.
    Gerais, a massa e o volume. Específicas, o ponto de ebulição, a densidade e o ponto de fusão.
  2. básico

    Uma substância pura, inicialmente sólida, foi aquecida com fogo constante a 1 atm, e a temperatura foi anotada a cada 2 minutos: 0, 10, 17, 17, 17, 50, 85, 118, 118, 118 (em °C). Quais são o PF e o PE dessa substância?

    Ver resolução
    Os patamares aparecem onde a temperatura se repete enquanto o aquecimento continua.
    O primeiro patamar, em 17 °C, é a fusão, porque a substância começou sólida. O segundo, em 118 °C, é a ebulição.
    PF = 17 °C e PE = 118 °C.
  3. básico

    A 1 atm, o isopropanol funde a −87,9 °C e ferve a 82,3 °C. Em que estado ele está a −100 °C, a 25 °C e a 90 °C?

    Ver resolução
    Abaixo do PF a substância é sólida, e −100 °C < −87,9 °C.
    Entre o PF e o PE ela é líquida, e −87,9 °C < 25 °C < 82,3 °C.
    Acima do PE ela é gasosa, e 90 °C > 82,3 °C.
    Sólido a −100 °C, líquido a 25 °C e gasoso a 90 °C.
  4. básico

    Durante a fusão do gelo o fogo continua aceso e a temperatura fica em 0 °C. Para onde vai o calor que a água recebe nesse intervalo?

    Ver resolução
    A temperatura mede a agitação média das partículas, e ela não muda no patamar.
    O calor vai para soltar as moléculas do arranjo fixo do gelo, vencendo a atração entre elas, e é o calor latente de fusão.
    O calor separa as partículas do sólido em vez de agitá-las mais, e por isso a temperatura fica parada até o último pedaço de gelo derreter.
  5. médio

    Um líquido incolor funde a −88 °C e ferve a 82 °C, a 1 atm. Com a tabela da bancada (água, etanol, acetona e isopropanol), diga que substância ele parece ser, e por que olhar só o PE poderia nos enganar.

    Ver resolução
    Na tabela, a água tem PF 0 °C e PE 100 °C, o etanol −114,1 °C e 78,3 °C, a acetona −94,7 °C e 56,1 °C e o isopropanol −87,9 °C e 82,3 °C.
    Os dois valores medidos ficam a menos de meio grau do isopropanol.
    O PE do etanol, 78,3 °C, fica a 4 °C do valor medido, e uma medida pouco cuidadosa poderia confundir os dois. O PF, que difere em mais de 25 °C, desfaz a dúvida.
    O líquido parece ser o isopropanol, e conferir os dois pontos é mais seguro que conferir um só.
  6. médio

    Duas amostras líquidas foram aquecidas a 1 atm. Durante a ebulição, a amostra A ficou em 100,0 °C do começo ao fim, e a amostra B começou a ferver em 101,8 °C e chegou a 103,5 °C. Qual delas é água pura, e o que a outra pode ser?

    Ver resolução
    Uma substância pura ferve a temperatura constante, com um patamar, e é o caso de A, no PE da água a 1 atm.
    Em B a temperatura sobe enquanto o líquido ferve, uma rampa. Isso acontece numa mistura em que o vapor leva embora só um dos componentes e o outro se concentra no que sobra, como a água com sal.
    A é água pura, e B é uma mistura, provavelmente água com algo dissolvido que não evapora junto.
  7. médio

    Na panela de pressão a tampa vedada mantém dentro dela uma pressão maior que a de fora. O que isso faz com o ponto de ebulição da água, e por que o feijão tende a cozinhar mais depressa?

    Ver resolução
    O ponto de ebulição sobe quando a pressão sobre o líquido aumenta, e a água da panela passa a ferver acima de 100 °C.
    Enquanto ferve, a água fica no seu PE, e numa panela comum ao nível do mar esse teto é 100 °C. Na panela de pressão o teto fica mais alto.
    Com o alimento mergulhado em água mais quente, é plausível que as transformações do cozimento andem mais depressa.
    A pressão maior eleva o PE, a água fica mais quente que 100 °C e o feijão tende a cozinhar em menos tempo.
  8. médio

    Quanto calor é preciso para derreter 50 g de gelo que já está a 0 °C? Use \(L_f = 334\ \text{J/g}\).

    Ver resolução
    O gelo já está no PF, e todo o calor vai para a fusão, sem mudar a temperatura.
    \(Q = m\,L_f = 50 \cdot 334 = 16\,700\ \text{J}\).
    \(Q = 16\,700\ \text{J} \approx 16{,}7\ \text{kJ}\)
  9. desafio

    Calcule a energia para levar 100 g de gelo de −20 °C até vapor a 100 °C, trecho por trecho. Use \(c_{\text{gelo}} = 2{,}09\), \(c_{\text{água}} = 4{,}18\) (em J/(g·°C)), \(L_f = 334\ \text{J/g}\) e \(L_v = 2257\ \text{J/g}\). Que trecho custa mais?

    Ver resolução
    Aquecer o gelo de −20 °C a 0 °C: \(Q_1 = 100 \cdot 2{,}09 \cdot 20\) \(= 4180\ \text{J}\).
    Derreter o gelo a 0 °C: \(Q_2 = 100 \cdot 334 = 33\,400\ \text{J}\).
    Aquecer a água de 0 °C a 100 °C: \(Q_3 = 100 \cdot 4{,}18 \cdot 100\) \(= 41\,800\ \text{J}\).
    Ferver toda a água a 100 °C: \(Q_4 = 100 \cdot 2257\) \(= 225\,700\ \text{J}\).
    Somando, \(Q = 4180 + 33\,400\) \({}+ 41\,800 + 225\,700\) \(= 305\,080\ \text{J}\).
    A ebulição sozinha leva \(225\,700 / 305\,080 \approx 74\%\) do total, e é o patamar mais comprido da bancada.
    \(Q \approx 305\ \text{kJ}\), e ferver a água custa cerca de três quartos dessa energia.
  10. desafio

    Dissolvemos 10 g de NaCl (58,44 g/mol) em 100 g de água. Estime o PE da solução a 1 atm por \(\Delta T = i\,K_e\,W\), com \(K_e = 0{,}512\ \text{°C·kg/mol}\), \(i = 2\) e \(W\) a molalidade. Que hipóteses o modelo carrega?

    Ver resolução
    A quantidade de sal é \(n = 10 / 58{,}44 \approx 0{,}171\ \text{mol}\), em \(0{,}100\ \text{kg}\) de água, e a molalidade é \(W \approx 1{,}71\ \text{mol/kg}\).
    Cada NaCl se separa em dois íons, Na⁺ e Cl⁻, e por isso \(i = 2\).
    \(\Delta T = 2 \cdot 0{,}512 \cdot 1{,}71 \approx 1{,}75\ \text{°C}\), e o PE fica perto de 101,8 °C.
    O modelo supõe íons ideais, que se espalham sem se atrair uns aos outros. Numa solução tão concentrada eles se atraem um pouco, e o \(i\) efetivo provavelmente fica abaixo de 2, de modo que o valor medido tende a ser um pouco menor.
    O cálculo vale também só para o começo da ebulição, porque a água que evapora concentra a solução e o PE continua subindo.
    \(\text{PE} \approx 101{,}8\ \text{°C}\) no início, no modelo de íons ideais, que talvez superestime a elevação.
PASSO 3

Densidade identifica um material?

A densidade é a massa dividida pelo volume, \(d = m/V\), e costumamos escrevê-la em g/cm³, que dá o mesmo número que g/mL. Ela é uma propriedade específica. Uma peça de alumínio com o dobro da massa ocupa também o dobro do volume, e a razão entre os dois continua 2,70 g/cm³ a 20 °C.

A massa sai da balança. O volume de uma peça irregular é difícil de medir com régua, e por isso a mergulhamos numa proveta com água e lemos quanto o nível subiu, já que a peça tira do lugar um volume de água igual ao seu.

Com a densidade medida, consultamos uma tabela. Uma peça de latão, que é uma liga de cobre e zinco, dá um valor que cai entre os da tabela e não bate com nenhum deles, e isso também é informação, porque sugere que a peça não é feita de nenhum dos metais puros da lista.

Densidade a 20 °C
Metalg/cm³

Líquidos que não se misturam, ou que se misturam muito devagar, se empilham por densidade, com o mais denso no fundo. O mel se dissolve na água, só que tão devagar, por ser muito viscoso, que despejado com cuidado forma uma camada que dura um bom tempo, enquanto o álcool se misturaria com a água quase na hora. Um objeto solto numa coluna dessas desce enquanto encontra líquido menos denso que ele e para sobre a primeira camada mais densa. O porquê, com o empuxo, está na aula de Hidrostática.

\(d = \dfrac{m}{V}\)\(V_{\text{peça}} = V_{\text{final}} - V_{\text{inicial}}\)Como \(1\ \text{mL} = 1\ \text{cm}^3\), a densidade em g/mL e em g/cm³ é o mesmo número.

Para conversar

  • Arraste a peça A da balança para a proveta e leia quanto o nível subiu. Que densidade sai daí, e com que metal da tabela ela bate?
  • Mude o tamanho da peça A com ela dentro da proveta. O que acontece com a massa, com o volume e com a densidade?
  • Meça a peça E. Por que a bancada responde "nenhum da tabela", e que pista isso nos dá sobre o material?
  • No modo Coluna, tente prever onde a uva vai parar antes de soltá-la no frasco, e depois solte os outros objetos e confira cada previsão.
Massa
Volume deslocado
Densidade
Material provável
Exercícios do passo 3 10 questões · 4 básicas · 4 médias · 2 desafios
  1. básico

    Uma peça tem massa de 270 g e volume de 100 cm³. Qual é a sua densidade?

    Ver resolução
    \(d = \dfrac{m}{V} = \dfrac{270}{100} = 2{,}70\ \text{g/cm}^3\).
    \(d = 2{,}70\ \text{g/cm}^3\), o valor do alumínio na tabela.
  2. básico

    Qual é a massa de uma peça de cobre de 10 cm³, se a densidade do cobre é \(8{,}96\ \text{g/cm}^3\)?

    Ver resolução
    Isolando a massa em \(d = m/V\), temos \(m = d \cdot V\).
    \(m = 8{,}96 \cdot 10 = 89{,}6\ \text{g}\).
    \(m = 89{,}6\ \text{g}\)
  3. básico

    Uma proveta tem 60 mL de água. Depois que mergulhamos nela uma pedra, o nível sobe para 75 mL. Qual é o volume da pedra?

    Ver resolução
    A pedra tira do lugar um volume de água igual ao seu.
    \(V_{\text{pedra}} = V_{\text{final}} - V_{\text{inicial}}\) \(= 75 - 60 = 15\ \text{mL}\).
    \(V = 15\ \text{mL} = 15\ \text{cm}^3\)
  4. básico

    Um rótulo diz que a densidade de um líquido é \(1{,}00\ \text{g/mL}\), e um livro dá a mesma densidade em g/cm³. Quanto ela vale nessa unidade, e qual é a massa de 1 L desse líquido?

    Ver resolução
    Um mililitro é o volume de um cubo de 1 cm de aresta, e por isso \(1\ \text{mL} = 1\ \text{cm}^3\) e \(1{,}00\ \text{g/mL} = 1{,}00\ \text{g/cm}^3\).
    Um litro tem 1000 mL, e \(m = d \cdot V\) \(= 1{,}00 \cdot 1000 = 1000\ \text{g}\).
    \(1{,}00\ \text{g/cm}^3\), e 1 L tem massa de 1000 g, ou 1 kg.
  5. médio

    Uma peça metálica de 393,5 g faz o nível de uma proveta subir de 100 mL para 150 mL. Com a tabela do passo, de que metal ela parece ser feita?

    Ver resolução
    O volume é \(V = 150 - 100 = 50\ \text{cm}^3\).
    A densidade é \(d = \dfrac{393{,}5}{50} = 7{,}87\ \text{g/cm}^3\).
    Na tabela, 7,87 g/cm³ é o valor do ferro, e nenhum outro metal da lista fica perto.
    A peça parece ser de ferro.
  6. médio

    Duas peças do mesmo material têm 54 g e 20 cm³, a menor, e 135 g e 50 cm³, a maior. Calcule a densidade de cada uma e comente o resultado.

    Ver resolução
    Menor: \(d = \dfrac{54}{20} = 2{,}70\ \text{g/cm}^3\).
    Maior: \(d = \dfrac{135}{50} = 2{,}70\ \text{g/cm}^3\).
    A peça maior tem 2,5 vezes a massa e 2,5 vezes o volume da menor, e a razão entre os dois fica a mesma.
    As duas têm \(2{,}70\ \text{g/cm}^3\), porque a densidade é propriedade do material e não depende do tamanho da peça.
  7. médio

    Na coluna da bancada as camadas são, de baixo para cima, mel (1,42 g/cm³), água (1,00), óleo (0,92) e álcool (0,79). Onde para uma conta de densidade 0,85 g/cm³ solta no topo?

    Ver resolução
    A conta é mais densa que o álcool, 0,85 > 0,79, e afunda nele.
    Ela é menos densa que o óleo, 0,85 < 0,92, e não consegue entrar nessa camada.
    A conta para sobre o óleo, no fundo da camada de álcool.
  8. médio

    Por que o óleo fica por cima da água num copo, e por que, na coluna da bancada, o óleo precisa ficar entre a água e o álcool?

    Ver resolução
    O óleo e a água não se misturam, e o óleo é menos denso, 0,92 contra 1,00 g/cm³. O líquido menos denso fica em cima.
    O álcool, por outro lado, se mistura com a água quase na hora. Se os dois se encostassem, formariam uma camada só.
    O mel também se dissolve na água, mas é tão viscoso que, despejado com cuidado, leva um bom tempo para se misturar, e por isso a camada de mel pode ficar encostada na água.
    O óleo, que não se mistura com nenhum dos dois, fica no meio e mantém o álcool longe da água.
    O óleo boia na água por ser menos denso e imiscível, e na coluna ele separa a água do álcool, que se misturariam.
  9. desafio

    Uma coroa de 1000 g desloca 60 mL de água. O ouro tem \(19{,}3\ \text{g/cm}^3\) e a prata, \(10{,}5\ \text{g/cm}^3\). Supondo que a coroa seja uma liga dos dois e que os volumes se somem, que fração da massa é ouro?

    Ver resolução
    A densidade da coroa é \(d = \dfrac{1000}{60} \approx 16{,}7\ \text{g/cm}^3\), abaixo da do ouro, e por isso ela não é de ouro puro.
    Chamando de \(x\) a massa de ouro, a de prata é \(1000 - x\), e os volumes somam 60, \(\dfrac{x}{19{,}3} + \dfrac{1000 - x}{10{,}5} = 60\).
    Isso dá \(95{,}24 - x\left(\dfrac{1}{10{,}5} - \dfrac{1}{19{,}3}\right) = 60\), ou \(0{,}04343\,x = 35{,}24\).
    Daí \(x \approx 811\ \text{g}\).
    Cerca de 81% da massa é ouro, no modelo de volumes que se somam.
  10. desafio

    A peça E da bancada é de latão, com \(8{,}5\ \text{g/cm}^3\). Mostre que esse valor fica entre o do zinco (\(7{,}1\ \text{g/cm}^3\)) e o do cobre (\(8{,}96\ \text{g/cm}^3\)) e estime a fração do volume que é cobre, supondo que os volumes se somam.

    Ver resolução
    Temos \(7{,}1 < 8{,}5 < 8{,}96\), e a liga fica entre os dois metais, mais perto do cobre.
    Seja \(f\) a fração do volume ocupada pelo cobre. Com os volumes somados, a densidade da liga é a média ponderada pelos volumes, \(8{,}96\,f + 7{,}1\,(1 - f) = 8{,}5\).
    Daí \(1{,}86\,f = 1{,}4\) e \(f \approx 0{,}75\).
    Em massa, o cobre seria \(\dfrac{8{,}96 \cdot 0{,}75}{8{,}5} \approx 0{,}79\) do total.
    O modelo provavelmente exagera o cobre. O latão comum tem perto de 65% de cobre em massa, e a diferença vem de que, na liga, os volumes do cobre e do zinco não se somam exatamente.
    Cerca de três quartos do volume, ou perto de 80% da massa, seriam cobre no modelo de volumes que se somam, acima dos cerca de 65% de um latão comum.
PASSO 4

Substância simples, composta ou mistura?

Toda a matéria é feita de átomos, e cada tipo de átomo é um elemento químico, como o oxigênio (O), o hidrogênio (H) e o carbono (C). Uma substância pura tem um só tipo de partícula, e por isso tem propriedades fixas, como o PF, o PE e a densidade que medimos nos passos 2 e 3.

Quando cada partícula tem átomos de um elemento só, a substância é simples, como o gás oxigênio (O₂), o ozônio (O₃) e o gás nitrogênio (N₂). Quando a partícula junta átomos de mais de um elemento, a substância é composta, como a água (H₂O) e o gás carbônico (CO₂). O O₂ e o O₃ são feitos do mesmo elemento e mesmo assim são substâncias diferentes, com moléculas de dois e de três átomos e propriedades próprias, um caso do que chamamos de alotropia.

Uma mistura tem mais de um tipo de partícula, cada um vindo de uma substância. As propriedades dela variam com a proporção entre as partes, e é por isso que a água com sal do passo 2 ferve numa rampa em vez de um patamar, já que a proporção muda enquanto a água evapora. O ar, com nitrogênio, oxigênio, argônio e pequenas quantidades de outros gases, e a água do mar, com sal e outras substâncias dissolvidas, são misturas.

O sal dissolvido na água aparece na lupa como íons, Na⁺ e Cl⁻, separados uns dos outros. São dois tipos de partícula vindos de uma substância só, o cloreto de sódio (NaCl), e a água com sal tem duas substâncias, a água e o sal.

\(\text{O}_2,\ \text{O}_3,\ \text{N}_2\) simples\(\text{H}_2\text{O},\ \text{CO}_2\) compostasA fórmula diz quais elementos formam a partícula e quantos átomos de cada um ela tem. Mais de uma substância no mesmo frasco quer dizer mistura.

Para conversar

  • Com a lupa sobre o frasco 1, conte os átomos de cada partícula e quantos elementos diferentes aparecem nela. Em que caixa você colocaria esse frasco?
  • A olho, os frascos de gás parecem iguais. Passe a lupa por cada um deles e diga quais têm um só tipo de partícula.
  • Compare na lupa os dois frascos que só têm oxigênio. Por que eles vão para a mesma caixa, e por que mesmo assim guardam substâncias diferentes?
  • No frasco com sal dissolvido a lupa mostra três tipos de partícula. Por que contamos ali duas substâncias, e o que a bancada responde se você o puser entre as compostas?
Acertos
Tentativas
Exercícios do passo 4 10 questões · 4 básicas · 4 médias · 2 desafios
  1. básico

    Classifique cada material como substância simples, substância composta ou mistura: o gás oxigênio (O₂), a água destilada (H₂O), o ar, o ouro 24 quilates e a água mineral.

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    O gás oxigênio tem um só tipo de molécula, com dois átomos do mesmo elemento, e é uma substância simples.
    A água destilada tem só moléculas de H₂O, que juntam hidrogênio e oxigênio, e é uma substância composta.
    O ar junta nitrogênio, oxigênio, argônio e outros gases, cada um com a sua partícula, e é uma mistura.
    O ouro 24 quilates é praticamente só ouro, um elemento, e conta como substância simples.
    A água mineral traz sais dissolvidos, listados no rótulo, e é uma mistura.
    Simples, o O₂ e o ouro 24 quilates. Composta, a água destilada. Misturas, o ar e a água mineral.
  2. básico

    Qual é a diferença entre um elemento químico e uma substância? Use o oxigênio como exemplo.

    Ver resolução
    Um elemento é um tipo de átomo, e o oxigênio, de símbolo O, é um deles.
    Uma substância é um material com um só tipo de partícula e propriedades fixas. O elemento oxigênio forma sozinho duas substâncias simples, o gás oxigênio (O₂) e o ozônio (O₃), e aparece ao lado de outros elementos em substâncias compostas, como a água (H₂O) e o gás carbônico (CO₂).
    O elemento é o tipo de átomo, e a substância é o material que esses átomos formam, sozinhos ou combinados com átomos de outros elementos.
  3. básico

    Quantos elementos químicos formam o gás carbônico (CO₂), o ácido sulfúrico (H₂SO₄) e o cloreto de sódio (NaCl)? Quais são eles?

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    Cada símbolo diferente na fórmula é um elemento, e o índice só diz quantos átomos dele entram.
    CO₂ tem carbono e oxigênio, dois elementos.
    H₂SO₄ tem hidrogênio, enxofre e oxigênio, três elementos.
    NaCl tem sódio e cloro, dois elementos.
    Dois, três e dois elementos, e as três são substâncias compostas.
  4. básico

    O que a fórmula H₂O nos diz sobre a água?

    Ver resolução
    A fórmula diz quais elementos formam a partícula e quantos átomos de cada um ela tem.
    Cada molécula de água tem dois átomos de hidrogênio, pelo índice 2, e um de oxigênio, já que o índice 1 não se escreve.
    São dois elementos na mesma partícula, e por isso a água é uma substância composta.
    Cada molécula de água tem 2 átomos de H e 1 de O, e a água é uma substância composta.
  5. médio

    O gás oxigênio (O₂) e o ozônio (O₃) são feitos só de átomos de oxigênio. Por que dizemos que são duas substâncias diferentes?

    Ver resolução
    Reconhecemos uma substância pela sua partícula e pelas suas propriedades. A molécula do O₂ tem dois átomos e a do O₃ tem três, e essa diferença basta para mudar as propriedades.
    O O₂ é o gás que respiramos, sem cheiro, e o O₃ tem cheiro forte e forma a camada de ozônio, que filtra parte da radiação ultravioleta do Sol.
    Quando um mesmo elemento forma substâncias simples diferentes, falamos em alotropia, e o O₂ e o O₃ são formas alotrópicas do oxigênio.
    As moléculas são diferentes e as propriedades também, e por isso são duas substâncias simples feitas do mesmo elemento.
  6. médio

    Uma substância pura funde a uma temperatura fixa. Um sólido branco, aquecido devagar a 1 atm, começa a derreter a 40 °C e só termina a 46 °C. O que isso sugere sobre a amostra?

    Ver resolução
    Na fusão de uma substância pura a temperatura fica parada no patamar até o último pedaço derreter, como vimos no passo 2.
    Aqui a temperatura subiu 6 °C durante a fusão, numa rampa, e isso indica que a proporção entre as partes mudou enquanto o sólido derretia.
    A amostra provavelmente é uma mistura, ou uma substância com impurezas, e dificilmente uma substância pura.
  7. médio

    Uma propaganda chama a água mineral de "água pura". Do ponto de vista da química, a expressão está correta?

    Ver resolução
    Para a química, água pura é a que só tem moléculas de H₂O, como a água destilada.
    O rótulo da água mineral lista os sais dissolvidos nela, com a quantidade de cada um, e por isso ela tem mais de uma substância e é uma mistura.
    Na propaganda, "pura" parece querer dizer limpa e própria para beber, o que é outra coisa.
    Para a química a água mineral é uma mistura, e o "pura" da propaganda fala de limpeza.
  8. médio

    Num desenho de partículas, cada bolinha é um átomo, e bolinhas encostadas formam uma molécula. O frasco A tem só pares de bolinhas brancas. O frasco B tem só trios, cada um com uma bolinha preta entre duas brancas. O frasco C tem pares de bolinhas brancas e bolinhas pretas soltas. Classifique o conteúdo de cada frasco.

    Ver resolução
    Em A todas as partículas são iguais, e cada uma tem dois átomos do mesmo elemento, o que dá uma substância simples.
    Em B as partículas também são todas iguais, só que cada uma junta átomos de dois elementos, o branco e o preto, e temos uma substância composta.
    Em C há dois tipos de partícula, as moléculas brancas e os átomos pretos soltos, cada tipo de uma substância simples diferente, e o frasco guarda uma mistura.
    A é substância simples, B é substância composta e C é mistura de duas substâncias simples.
  9. desafio

    A glicose tem fórmula C₆H₁₂O₆ e a sacarose, o açúcar de mesa, C₁₂H₂₂O₁₁. Quantos átomos e quantos elementos há em cada molécula?

    Ver resolução
    Somamos os índices para contar os átomos, e contamos os símbolos diferentes para contar os elementos.
    Glicose: \(6 + 12 + 6 = 24\) átomos, de três elementos, carbono, hidrogênio e oxigênio.
    Sacarose: \(12 + 22 + 11 = 45\) átomos, dos mesmos três elementos.
    As duas moléculas têm os mesmos elementos em quantidades diferentes, e são substâncias diferentes, ambas compostas.
    Glicose, 24 átomos e 3 elementos. Sacarose, 45 átomos e 3 elementos.
  10. desafio

    O quilate do ouro diz quantas partes de ouro há em 24 partes da massa da peça. Por que o ouro 18 quilates é uma mistura, enquanto o 24 quilates é praticamente uma substância?

    Ver resolução
    O ouro 18 quilates tem 18 partes de ouro em 24, ou \(18/24 = 75\%\) da massa. O resto são outros metais, em geral cobre e prata, e a peça é uma liga, uma mistura de metais.
    O ouro 24 quilates tem 24 partes em 24, ouro quase puro, com só traços de outros elementos.
    Dizemos "praticamente" porque nenhuma amostra real é 100% pura. O que chamamos de substância pura, na prática, é um material com impurezas pequenas demais para mudar as propriedades que medimos.
    O 18 quilates é uma liga com 75% de ouro, uma mistura, e o 24 quilates é ouro quase sem nada misturado, praticamente uma substância simples.
PASSO 5

Quantas fases tem este sistema?

Chamamos de sistema a porção de matéria que escolhemos estudar, como o conteúdo de um béquer. Cada substância presente nele é um componente, e cada região com as mesmas propriedades em todos os pontos é uma fase. A água com óleo tem dois componentes e duas fases, e a fronteira entre elas se vê a olho nu. O óleo de cozinha é ele próprio uma mistura de várias substâncias, e aqui o contamos como um componente só.

Um sistema com uma fase só é homogêneo, e um com mais de uma é heterogêneo. As misturas se dividem do mesmo modo, em homogêneas e heterogêneas. O sal se dissolve na água e some de vista, e a água com sal é homogênea até um limite. A 20 °C, 100 g de água dissolvem cerca de 36 g de sal, e o que passa disso fica no fundo como uma fase nova, sólida.

Componentes e fases são contagens diferentes. Gelo e água líquida são a mesma substância em dois estados, e o copo de água com gelo tem um componente e duas fases. Os livros também combinam deixar de fora o ar acima do líquido e o próprio frasco, e é essa convenção que a bancada segue ao contar.

\(\text{homogênea} \Leftrightarrow 1\ \text{fase}\)\(\text{solubilidade do NaCl (20 °C)}\) \(\approx 36\ \text{g}/100\ \text{g de água}\)A solubilidade é a quantidade máxima que se dissolve. Ela muda com a temperatura, e o valor vale para 20 °C.

Para conversar

  • Coloque água e adicione sal de 10 em 10 g. Em que clique aparece a segunda fase, e o que isso tem a ver com o limite de 36 g por 100 g de água?
  • Monte água com gelo. Quantos componentes e quantas fases a bancada conta, e por que os dois números não coincidem?
  • Junte óleo e depois gelo. Onde o gelo fica, e o que isso sugere sobre a densidade dele comparada com a da água e a do óleo?
  • Leve a lupa à água com sal, que a olho é uma fase só. O leite e o sangue também parecem homogêneos a olho, e o que você esperaria ver neles com um microscópio?
Componentes
Fases
Sistema
Fases presentes
Exercícios do passo 5 10 questões · 4 básicas · 4 médias · 2 desafios
  1. básico

    Quantos componentes e quantas fases há em cada sistema: água com óleo, e água com um pouco de sal dissolvido?

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    Na água com óleo há duas substâncias, que não se misturam e mostram uma fronteira, e contamos dois componentes e duas fases.
    Na água com pouco sal dissolvido também há duas substâncias, a água e o cloreto de sódio, só que o sal some na água e o líquido fica igual em todos os pontos, e contamos dois componentes e uma fase.
    Água com óleo, 2 componentes e 2 fases. Água com sal dissolvido, 2 componentes e 1 fase.
  2. básico

    Um copo tem água líquida com três cubos de gelo. Quantos componentes e quantas fases tem esse sistema?

    Ver resolução
    O gelo e a água líquida são a mesma substância, H₂O, e contam como um componente.
    Os três cubos têm as mesmas propriedades e juntos formam uma fase só, sólida. A água líquida é a outra fase.
    1 componente e 2 fases, e o número de cubos não muda a contagem.
  3. básico

    O granito é uma rocha com grãos de cores diferentes, e os livros costumam descrevê-lo como quartzo, feldspato e mica. Quantas fases ele tem, e ele é homogêneo ou heterogêneo?

    Ver resolução
    Cada tipo de grão tem as mesmas propriedades em todos os seus pontos e difere dos outros, e por isso conta como uma fase. Grãos do mesmo mineral espalhados pela rocha formam uma fase só.
    Com três minerais, os livros contam três fases.
    3 fases, e o granito é heterogêneo, o que já se vê a olho nu.
  4. básico

    Diga se cada sistema é homogêneo ou heterogêneo: água com areia, água com um pouco de açúcar dissolvido, água com óleo e álcool com água.

    Ver resolução
    A areia não se dissolve e fica no fundo, e a água com areia tem duas fases.
    O açúcar some na água e o líquido fica igual em todos os pontos, uma fase só.
    A água com óleo forma duas camadas.
    O álcool e a água se misturam em qualquer proporção, numa fase só.
    Heterogêneos, a água com areia e a água com óleo. Homogêneos, a água com açúcar e o álcool com água.
  5. médio

    A 20 °C, 100 g de água dissolvem cerca de 36 g de NaCl. Quanto sal se dissolve em 250 g de água, e quanto sobra no fundo se colocarmos 100 g de sal?

    Ver resolução
    A quantidade que se dissolve cresce na proporção da água, \(250 \cdot \dfrac{36}{100} = 90\ \text{g}\).
    Dos 100 g colocados, \(100 - 90 = 10\ \text{g}\) ficam sem dissolver, no fundo.
    O sistema passa a ter duas fases, a solução saturada e o sal sólido.
    Dissolvem-se 90 g, e sobram 10 g no fundo, a 20 °C.
  6. médio

    Num béquer há água, gelo, óleo e areia. Quantos componentes e quantas fases tem o sistema?

    Ver resolução
    Os componentes são a água, que conta uma vez só para o líquido e para o gelo, o óleo e a areia, três ao todo.
    As fases são a água líquida, o gelo, o óleo e a areia, quatro ao todo.
    3 componentes e 4 fases.
  7. médio

    Uma garrafa de água com gás, recém-aberta, solta bolhas. Quantas fases há no líquido enquanto as bolhas sobem, e quantas havia com a garrafa fechada, sem bolha nenhuma?

    Ver resolução
    Com a garrafa fechada, o gás carbônico está dissolvido na água e o líquido é igual em todos os pontos, uma fase só.
    Depois de aberta, parte do gás deixa a solução e forma bolhas, que são uma fase gasosa no meio do líquido.
    Os componentes continuam dois nos dois casos, a água e o gás carbônico, se deixarmos de lado os sais que a água possa ter.
    Fechada, 1 fase. Com bolhas, 2 fases, a solução e o gás das bolhas.
  8. médio

    Por que o ar acima da água num copo não entra na contagem de fases, e o que mudaria se ele entrasse?

    Ver resolução
    É uma convenção dos livros. O sistema é o material que estamos estudando, o conteúdo do copo, e o ar em volta e o próprio copo ficam de fora.
    Gases sempre se misturam entre si, e o ar inteiro contaria como uma fase só, gasosa, com vários componentes, como o nitrogênio, o oxigênio, o argônio e o vapor de água.
    Quase todo sistema aberto ganharia a mesma fase a mais, e a contagem diria pouco sobre o que está no copo.
    Por convenção, o ar e o frasco ficam fora do sistema. Se entrassem, todo sistema aberto ganharia uma fase gasosa e alguns componentes a mais.
  9. desafio

    Um béquer tem água com sal dissolvido até o limite, mais sal sem dissolver no fundo, cubos de gelo, uma camada de óleo e limalha de ferro. Quantos componentes e quantas fases tem esse sistema?

    Ver resolução
    Os componentes são a água, incluindo o gelo, o cloreto de sódio, dissolvido e no fundo, o óleo e o ferro, quatro ao todo.
    As fases são a solução de água com sal, o gelo, o sal sem dissolver, o óleo e a limalha, cinco ao todo.
    O sal aparece em duas fases e conta como um componente só, como a água, que aparece na solução e no gelo.
    4 componentes e 5 fases.
  10. desafio

    O leite e o sangue parecem homogêneos a olho nu. O que muda quando os observamos ao microscópio, e como isso afeta a classificação?

    Ver resolução
    Ao microscópio o leite mostra gotículas de gordura espalhadas num líquido aquoso, e o sangue mostra células, como os glóbulos vermelhos, suspensas no plasma.
    Com aumento aparecem regiões com propriedades diferentes, e por isso os dois têm mais de uma fase.
    A classificação depende, então, da escala em que olhamos. Os livros costumam tratar o leite e o sangue como misturas heterogêneas, porque a separação aparece ao microscópio, embora a olho pareçam uma coisa só.
    São homogêneos a olho e heterogêneos ao microscópio, e os livros tendem a classificá-los como heterogêneos.
PASSO 6

Como separar uma mistura heterogênea?

Numa mistura heterogênea as partes se distinguem, a olho ou ao microscópio, e diferem em alguma propriedade. Para separá-las escolhemos a propriedade em que elas diferem e um equipamento que tire proveito dela. A bancada explora três, o tamanho das partículas, a densidade e o magnetismo, e nenhum método serve para todas as misturas.

A filtração separa um sólido que não se dissolveu do líquido em que ele está, como a areia na água. O papel de filtro é uma trama de fibras com poros muito pequenos, que retém o que é maior que os poros e deixa o líquido passar para o frasco de baixo. O coador de café faz o mesmo trabalho na cozinha.

Quando as partes têm densidades diferentes, a gravidade faz a separação por nós, e chamamos isso de decantação. A areia vai ao fundo de um copo de água em poucos segundos, e a água e o óleo, que não se misturam, formam duas camadas, com o óleo, menos denso, por cima. O funil de separação é um frasco com uma torneira embaixo, por onde deixamos sair a camada de baixo, e fechamos a torneira quando a fronteira chega a ela.

A centrifugação acelera a decantação. O tubo gira muito depressa, e as partes da mistura se comportam como se a gravidade fosse muitas vezes mais forte. Assim separamos em minutos a nata do leite e as células do plasma do sangue, que paradas levariam horas, ou nem chegariam a se separar de todo.

tamanho → filtraçãodensidade → decantação, centrífugamagnetismo → ímãCada método aproveita uma propriedade em que as partes diferem. Se elas não diferem nessa propriedade, o método não separa nada.

A separação magnética usa um ímã para puxar a parte atraída por ele, como a limalha de ferro misturada à areia. Há ainda métodos que dispensam equipamento. Na catação escolhemos as partes com a mão, como quem tira as pedrinhas do feijão, na peneiração os grãos menores atravessam a tela e os maiores ficam, e na ventilação uma corrente de ar leva embora a parte mais leve, como a casca que se solta dos grãos de arroz.

Para conversar

  • Escolha areia + água e experimente as quatro ferramentas. Qual dá a maior pureza, e por que o ímã não separa nada?
  • Passe água + óleo pelo papel de filtro e leia a explicação da bancada. Em que propriedade as duas partes diferem, e qual ferramenta aproveita essa diferença?
  • Com o leite, compare o funil de separação com a centrífuga. O que a centrífuga faz em minutos que o leite parado faz devagar, ou quase não faz?
  • Depois de filtrar a areia, leve a lupa ao frasco da água. Que partículas aparecem, e o que elas sugerem sobre uma pureza de 99 %?
O método funciona?
Pureza
Pureza
Exercícios do passo 6 10 questões · 4 básicas · 4 médias · 2 desafios
  1. básico

    Que método separa a areia da água, e o que fica retido no papel de filtro?

    Ver resolução
    A areia não se dissolve na água, e os grãos são bem maiores que os poros do papel.
    Na filtração o papel retém os grãos, e a água atravessa os poros e se recolhe no frasco de baixo.
    Podemos deixar a areia assentar antes e despejar a maior parte da água com cuidado, uma decantação, e filtrar só o resto, o que torna a filtração mais rápida.
    Filtração. O papel retém a areia, o sólido com partículas maiores que os poros, e deixa passar a água.
  2. básico

    Que equipamento separa a água do óleo, e qual dos dois sai primeiro?

    Ver resolução
    A água e o óleo não se misturam e formam duas camadas, com o óleo, menos denso, por cima.
    No funil de separação abrimos a torneira de baixo, e a água sai primeiro. Fechamos a torneira quando a fronteira chega a ela, e o óleo fica no funil.
    O funil de separação, e a água sai primeiro, por ser a camada de baixo.
  3. básico

    Como separar limalha de ferro misturada a enxofre em pó?

    Ver resolução
    As duas partes são sólidos em pó, com grãos de tamanhos parecidos, e a peneira e o papel de filtro não as distinguem.
    O ferro é atraído pelo ímã e o enxofre não é.
    Passamos um ímã sobre a mistura, e ele puxa a limalha e deixa o enxofre.
    Separação magnética, com um ímã.
  4. básico

    Antes de cozinhar o feijão, muita gente espalha os grãos na mesa e tira as pedrinhas e os grãos estragados com a mão. Que método é esse?

    Ver resolução
    As partes se distinguem a olho, pela cor e pela forma, e são grandes o bastante para pegar com os dedos.
    Separar escolhendo as partes com a mão é a catação.
    Catação.
  5. médio

    Num copo há areia, limalha de ferro e água. Em que ordem você usaria os métodos da bancada para obter as três partes separadas?

    Ver resolução
    Na filtração o papel retém a areia e a limalha juntas, que são os dois sólidos, e a água passa para o frasco de baixo.
    Depois de seco, o sólido que ficou no papel é uma mistura de areia e limalha, e o ímã puxa a limalha e deixa a areia.
    Também daria para passar o ímã primeiro, na mistura molhada, e filtrar depois, mas a limalha sairia molhada e com grãos de areia grudados, o que parece menos limpo.
    Filtrar, secar o sólido e separar a limalha com o ímã.
  6. médio

    Por que a centrífuga separa em minutos o que a decantação comum levaria horas para separar?

    Ver resolução
    Na decantação comum a parte mais densa desce por causa da gravidade, e partículas muito pequenas descem muito devagar.
    Na centrífuga o tubo gira depressa, e o efeito sobre a mistura é o de uma gravidade muitas vezes mais forte, que empurra a parte mais densa para o fundo do tubo.
    A separação continua sendo pela densidade, e só ficou mais rápida.
    A rotação faz o papel de uma gravidade muito mais forte, e a decantação que levaria horas acontece em minutos.
  7. médio

    Uma mistura de água e gasolina foi colocada num funil de separação. A gasolina é menos densa que a água e não se mistura com ela. Qual líquido sai primeiro pela torneira, e como sabemos a hora de fechá-la?

    Ver resolução
    A gasolina, menos densa, forma a camada de cima, e a água fica embaixo, junto da torneira.
    Ao abrir a torneira, sai primeiro a água. A fronteira entre as camadas desce, e fechamos a torneira quando ela chega à saída.
    Na prática, sacrifica-se um pouco do líquido perto da fronteira para não misturar as duas partes de novo.
    A água sai primeiro, e fechamos a torneira quando a fronteira com a gasolina chega a ela.
  8. médio

    Nos laboratórios aparece a "filtração a vácuo", com um funil de porcelana encaixado num frasco ligado a uma bomba. O que a bomba parece fazer, e em que situação esse arranjo vale a pena?

    Ver resolução
    A bomba tira parte do ar do frasco de baixo, e a pressão ali fica menor que a do ar sobre o papel.
    O ar de fora passa a empurrar o líquido através dos poros, e a filtração fica mais rápida que a que depende só do peso do líquido.
    O arranjo provavelmente compensa quando a filtração comum seria muito lenta, com muito sólido ou com partículas finas que entopem os poros.
    A bomba diminui a pressão embaixo do papel, e a diferença de pressão empurra o líquido mais depressa, o que ajuda nas filtrações lentas.
  9. desafio

    Planeje a separação de uma mistura de areia, sal, limalha de ferro e óleo, recuperando as quatro partes.

    Ver resolução
    O ímã puxa a limalha de ferro, que é a única parte atraída por ele.
    Juntamos água ao que sobrou. O sal se dissolve, a areia vai ao fundo e o óleo forma uma camada por cima.
    Na filtração o papel retém a areia, e passam o óleo e a água com sal, que são líquidos.
    No funil de separação a água com sal, mais densa, sai pela torneira, e o óleo fica no funil.
    O sal dissolvido atravessa qualquer papel de filtro e não forma camada, e para recuperá-lo precisamos evaporar a água, o assunto do passo 7.
    Ímã, água, filtração, funil de separação e evaporação, nessa ordem.
  10. desafio

    Um estudante descreveu assim a separação de areia, sal e água. "Filtro a mistura e a areia fica no papel. Passo o líquido por um segundo papel de filtro, mais fino, para reter o sal. Seco o segundo papel e recolho o sal." Onde está o erro, e como corrigi-lo?

    Ver resolução
    A primeira filtração está certa, porque a areia não se dissolve e os grãos ficam no papel.
    O erro está no segundo passo. O sal dissolvido está espalhado na água em íons, partículas muito menores que os poros de qualquer papel de filtro, e a água com sal é uma mistura homogênea, que a filtração não separa.
    Para recuperar o sal, evaporamos a água do filtrado, e o sal fica no fundo do recipiente.
    O segundo papel deixa passar o sal com a água. A correção é evaporar a água do filtrado.
PASSO 7

Como separar uma mistura homogênea?

Numa mistura homogênea as partes não se distinguem, nem ao microscópio, e os métodos do passo 6 não servem. O sal dissolvido na água atravessa o papel de filtro, não forma camada no funil e não desce na centrífuga. Para separá-lo aproveitamos outra propriedade, a temperatura em que cada parte vira vapor.

Na evaporação deixamos o líquido ir embora e ficamos com o sólido. É o que fazem as salinas, que represam a água do mar em tanques rasos e deixam o sol e o vento evaporarem a água até o sal aparecer no fundo. A água se perde no ar, e o método só serve quando o que interessa é o sólido.

Para recuperar também a água usamos a destilação simples. A mistura ferve num balão, o vapor sobe e passa por um condensador, um tubo resfriado por fora com água corrente, e volta a ser líquido, que pinga no frasco coletor. O sal não vira vapor e fica no balão. Um termômetro no topo, na altura da saída para o condensador, marca a temperatura do vapor, e com água e sal ele fica em 100 °C a 1 atm, porque o vapor é de água pura, enquanto o balão, cada vez mais salgado, ferve acima disso.

\(y_{\text{etanol}} > x_{\text{etanol}}\)\(\text{limite} \approx 96\ \%\ \text{em volume}\)\(x\) é a fração de etanol no líquido que ferve e \(y\), a fração no vapor que sai dele. O vapor sai mais rico em etanol que o líquido, até o limite de cerca de 96 % em volume.

Dois líquidos que se misturam, como a água e o etanol, pedem a destilação fracionada. O vapor que sai de uma mistura fervendo é mais rico no líquido mais volátil, o de menor ponto de ebulição, e a coluna de fracionamento repete a ebulição várias vezes. O vapor condensa nas peças da coluna, ferve de novo um pouco mais alto na coluna, onde já está mais frio, e fica mais rico em etanol a cada etapa, até chegar ao topo perto de 78 °C.

Há um limite. A mistura de água e etanol não passa de cerca de 96 % de etanol em volume por destilação, porque nessa proporção o vapor sai com a mesma composição do líquido (chamamos a mistura nessa proporção de azeótropo), e é esse o álcool 96 °GL das farmácias. A refinaria de petróleo faz a destilação fracionada em grande escala, com colunas de dezenas de metros que separam o petróleo em frações como o gás de cozinha, a gasolina, o querosene e o óleo diesel, cada uma tirada numa altura da coluna.

Para conversar

  • Destile a água com sal e compare a temperatura do topo com a do balão. Por que o topo fica em 100 °C enquanto o balão esquenta, e o que aparece no fundo no fim?
  • Com água + etanol, compare a destilação simples com a fracionada. Em que temperatura o topo começa em cada uma, e quanto etanol tem o primeiro vapor?
  • Na fracionada, leve a lupa a alturas diferentes da coluna. Como muda a proporção de etanol no vapor, de baixo para cima?
  • Deixe a fracionada correr até o fim e olhe o gráfico. O que acontece com a temperatura do topo quando o etanol do balão acaba, e por que nenhuma coluna, por mais alta, passaria de cerca de 96 %v?
Topo (termômetro)
Etanol no vapor
Etanol no coletor
Etanol no balão
Fração recolhida
Exercícios do passo 7 10 questões · 4 básicas · 4 médias · 2 desafios
  1. básico

    Que método separa a água do sal dissolvido nela, recuperando a água?

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    A água com sal é homogênea, e o sal dissolvido atravessa o papel de filtro.
    Ao ferver a mistura, só a água vira vapor. O vapor passa pelo condensador, volta a ser líquido e se recolhe no frasco coletor, e o sal fica no balão.
    Destilação simples.
  2. básico

    Se só queremos o sal da água do mar e não nos importamos em perder a água, que método basta?

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    Deixamos a água evaporar, e o sal, que não vira vapor, fica no fundo do recipiente.
    É o que fazem as salinas, com o calor do sol e o vento.
    Evaporação.
  3. básico

    Qual é a função do condensador num destilador?

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    O condensador é um tubo envolvido por uma camisa onde corre água fria.
    O vapor quente que vem do balão perde calor para as paredes frias do tubo e volta ao estado líquido, que escorre até o frasco coletor.
    O condensador esfria o vapor e o transforma de novo em líquido, a condensação.
  4. básico

    O termômetro de um destilador fica no topo, na altura da saída para o condensador, e não mergulhado no líquido do balão. O que ele mede?

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    Na altura da saída passa o vapor que vai para o condensador, e o bulbo do termômetro fica banhado por ele.
    O termômetro mede a temperatura desse vapor, que indica o que está destilando. Com água e sal ele marca 100 °C, a 1 atm, porque o vapor é de água pura.
    A temperatura do vapor que está saindo para o condensador.
  5. médio

    Por que a destilação fracionada separa água e etanol melhor que a destilação simples?

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    Na destilação simples o vapor é recolhido depois de uma única ebulição, e sai mais rico em etanol que o líquido do balão, mas bem menos que depois de várias ebulições. Conforme o balão empobrece, o destilado também fica mais fraco.
    Na fracionada o vapor condensa e ferve de novo várias vezes ao subir pela coluna, e a cada etapa fica mais rico em etanol.
    Na bancada, partindo da mesma mistura, o primeiro vapor da simples tem cerca de 72 %v de etanol, e o da fracionada, cerca de 93 %v.
    A coluna repete a ebulição várias vezes, e o vapor do topo sai bem mais rico em etanol.
  6. médio

    Uma mistura de dois líquidos que se misturam, com PE de 56 °C e de 100 °C a 1 atm, passa por uma destilação fracionada. Qual sai primeiro, e em que temperatura o termômetro do topo deve ficar enquanto isso?

    Ver resolução
    Sai primeiro o líquido mais volátil, o de PE 56 °C, que poderia ser a acetona.
    Com uma coluna eficiente, o vapor do topo é quase só esse líquido, e o termômetro fica perto de 56 °C.
    Quando ele acaba no balão, a temperatura do topo sobe até perto de 100 °C, e passa a destilar o outro líquido.
    Sai primeiro o de PE 56 °C, com o topo perto de 56 °C, e depois o topo salta para perto de 100 °C.
  7. médio

    Por que as salinas usam tanques rasos e largos, e por que costumam ficar em regiões de sol forte, vento e pouca chuva, como parte do litoral do Rio Grande do Norte?

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    A água evapora pela superfície, e um tanque raso e largo expõe muita superfície para pouco volume de água.
    O sol fornece a energia da evaporação, e o vento leva embora o ar úmido de cima da água, o que tende a acelerar a evaporação.
    A chuva devolveria água aos tanques e desfaria o trabalho.
    Muita superfície, muito sol, vento e pouca chuva fazem a água evaporar depressa, e o sal fica no fundo.
  8. médio

    Na destilação de uma mistura, numa coluna boa o bastante para cada líquido sair quase puro, a temperatura do topo ficou em 56 °C enquanto se recolhiam os primeiros 40 % do volume do destilado, subiu depressa e ficou em 100 °C até o fim. Aqui contamos o destilado em volume, e não em mols como a bancada. O que a curva diz sobre a mistura?

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    Cada patamar indica que, naquele trecho, destila um líquido quase puro, com aquele ponto de ebulição.
    O primeiro patamar sugere um líquido de PE 56 °C, talvez a acetona, e o segundo, a água, a 1 atm.
    A subida rápida entre os patamares marca o momento em que o primeiro líquido acabou no balão.
    A mistura parece ter dois componentes, cerca de 40 % em volume de um líquido de PE 56 °C e o resto de água.
  9. desafio

    Por que não se obtém etanol 100 % destilando a mistura de água e etanol, por mais alta que seja a coluna?

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    A coluna funciona porque o vapor sai mais rico em etanol que o líquido. Quanto mais etanol a mistura tem, menor essa vantagem.
    Perto de 96 % em volume ela some, e o vapor sai com a mesma composição do líquido. A mistura nessa proporção é o azeótropo, e ferver de novo não muda nada.
    Para ir além, a indústria precisa de outro recurso, como substâncias que retêm a água, os desidratantes, ou outros truques de separação.
    A cerca de 96 %v o vapor tem a mesma composição do líquido, e a destilação para de enriquecer a mistura.
  10. desafio

    Destilamos 1 L de uma mistura de água e etanol com 26 % de etanol em volume, e recolhemos 200 mL de destilado com 70 % de etanol em volume. Supondo que os volumes se somam, o que não vale exatamente para água e etanol, quanto etanol ficou no balão, e com que porcentagem em volume?

    Ver resolução
    No começo havia \(0{,}26 \cdot 1000 = 260\ \text{mL}\) de etanol.
    O destilado levou \(0{,}70 \cdot 200 = 140\ \text{mL}\).
    Ficaram no balão \(260 - 140 = 120\ \text{mL}\) de etanol, em \(1000 - 200 = 800\ \text{mL}\) de mistura.
    A porcentagem é \(\dfrac{120}{800} = 0{,}15\), isto é, 15 %v.
    Ficaram 120 mL de etanol no balão, a 15 % em volume, com a hipótese de volumes que se somam.
PASSO 8

Da represa à torneira

A água que sai da torneira veio de um rio ou de uma represa, com galhos, barro e microrganismos, e passou antes por uma estação de tratamento de água, a ETA. Quase tudo o que acontece ali já vimos nos passos 6 e 7, em tanques do tamanho de piscinas. Podemos pensar a estação como uma fila de métodos de separação, cada um tirando da água o que o anterior deixou passar, e só duas etapas, a coagulação e a cloração, são químicas.

A água bruta passa primeiro por grades, que seguram galhos, folhas e lixo, numa peneiração em escala grande. O barro fino atravessa as grades. As partículas de argila são tão pequenas que ficariam suspensas por muito tempo, talvez dias, e nem a decantação nem um filtro de areia dariam conta delas sozinhos. Na coagulação a estação junta sulfato de alumínio à água, com agitação rápida, e uma reação química faz as partículas finas passarem a grudar umas nas outras. Na floculação uma agitação lenta reúne essas partículas em flocos cada vez maiores, sem desmanchá-los.

Os flocos são mais densos que a água e descem num tanque calmo, a decantação, deixando no fundo um lodo de barro com microrganismos presos. A água de cima segue para a filtração, em camadas de carvão, areia e cascalho, que seguram os flocos pequenos que não desceram. A Portaria GM/MS 888/2021, do Ministério da Saúde, pede que a água filtrada tenha turbidez de até 0,5 uT, a unidade de turbidez que a bancada escreve NTU, em 95 % das amostras de cada mês.

físicas gradeamento · floculação · decantação · filtraçãoquímicas coagulação · cloraçãoAs etapas físicas separam partes da mistura pelo tamanho ou pela densidade. As químicas juntam à água substâncias que reagem, o sulfato de alumínio na coagulação e o cloro na desinfecção.

Nenhuma dessas etapas garante que os microrganismos que sobraram estejam mortos. Na desinfecção a estação junta cloro, que mata bactérias e outros microrganismos, e deixa um pouco dele dissolvido para proteger a água no caminho pelos canos até as casas. Na fluoretação entra um composto de flúor, em dose pequena, que ajuda a prevenir a cárie. A água sai potável, boa para beber, o que não é o mesmo que pura no sentido do passo 4. Ela continua uma mistura, com sais minerais dissolvidos, o cloro e o flúor, e água pura, uma substância só, quase só se encontra no laboratório.

Os números da bancada são ilustrativos, escolhidos para mostrar o que cada etapa faz, e cada estação mede os seus. A lupa também exagera as proporções, porque mesmo a água mais barrenta tem muito mais moléculas de água que partículas de argila.

Para conversar

  • Avance etapa por etapa e acompanhe o medidor de turbidez. Em que etapas ele cai de verdade, e por que a coagulação e a floculação, com tanto trabalho, não mudam a leitura?
  • Compare na lupa o tanque da água bruta com o da floculação. O que aconteceu com as partículas de argila, e por que flocos grandes ajudam a etapa seguinte?
  • Na decantação o medidor ainda marca algumas centenas de coliformes por 100 mL, e a lupa já não mostra nenhum microrganismo. Por que uma amostra tão pequena quanto a da lupa pode não pegar nenhum?
  • Leve a lupa ao último tanque e procure o cloro. Por que a estação deixa um pouco dele na água, se os coliformes já chegaram a zero?
Etapa
Tipo
Turbidez
Coliformes
Exercícios do passo 8 10 questões · 4 básicas · 4 médias · 2 desafios
  1. básico

    Ponha em ordem as etapas de uma estação de tratamento de água: filtração, coagulação, cloração, gradeamento, decantação e floculação.

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    O gradeamento vem antes de tudo, porque galhos e folhas entupiriam os tanques seguintes.
    A coagulação faz as partículas finas grudarem, e a floculação junta essas partículas em flocos grandes.
    Os flocos descem na decantação, e o filtro segura os pequenos que sobraram.
    O cloro entra no fim, na água já limpa, para matar os microrganismos que passaram.
    Gradeamento, coagulação, floculação, decantação, filtração e cloração.
  2. básico

    Quais etapas da estação de tratamento são fenômenos químicos, e por quê?

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    Na coagulação o sulfato de alumínio reage na água, e é essa reação que faz as partículas de argila grudarem.
    Na cloração o cloro reage com os microrganismos e os mata.
    O gradeamento, a floculação, a decantação e a filtração só separam partes da mistura pelo tamanho ou pela densidade, sem formar substâncias novas.
    A coagulação e a cloração, porque nelas há reações químicas.
  3. básico

    O que o filtro de uma estação de tratamento retém, e o que ele deixa passar?

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    O filtro retém o que é maior que os espaços entre os grãos, os flocos pequenos que não desceram na decantação e parte dos microrganismos.
    Ele deixa passar a água e o que está dissolvido nela, como os sais minerais, que formam uma mistura homogênea com a água.
    Na bancada, a turbidez cai de 4 para 0,3 NTU na filtração, e ainda restam alguns coliformes.
    Retém partículas em suspensão e deixa passar a água com o que está dissolvido.
  4. básico

    Por que a estação junta cloro à água no fim do tratamento?

    Ver resolução
    A decantação e a filtração tiram a maior parte dos microrganismos, mas não todos, e alguns causam doenças, como as diarreias.
    O cloro mata os que sobraram.
    Uma parte do cloro fica dissolvida e continua agindo nos canos até a torneira. A Portaria GM/MS 888/2021 pede pelo menos 0,2 mg/L de cloro residual livre em toda a rede, ou uma dose equivalente de outra forma de cloro.
    Para matar os microrganismos que passaram pelo filtro e proteger a água no caminho até as casas.
  5. médio

    Por que a estação coagula e flocula a água antes de decantar? Não bastaria deixar a água bruta parada num tanque?

    Ver resolução
    As partículas de argila são muito pequenas, e a gravidade quase não as vence. Paradas, elas ficariam suspensas por muito tempo, provavelmente dias.
    A coagulação faz essas partículas grudarem, e a floculação as junta em flocos grandes, que descem depressa.
    Na bancada, a turbidez fica em 55 NTU durante a coagulação e a floculação, porque nada sai da água, e só cai, para 4 NTU, na decantação.
    Flocos grandes decantam em pouco tempo, e as partículas finas soltas quase não decantam.
  6. médio

    A água da torneira é potável. Ela é uma substância pura?

    Ver resolução
    Potável quer dizer própria para beber, dentro dos limites da Portaria GM/MS 888/2021, sem microrganismos que causam doença e com pouca turbidez.
    Substância pura, no sentido do passo 4, é uma substância só.
    A água da torneira leva sais minerais dissolvidos, o cloro que ficou e o flúor da fluoretação, e é uma mistura homogênea.
    Não. A água potável é uma mistura homogênea segura para beber, e não uma substância pura.
  7. médio

    Muitas estações põem uma camada de carvão ativado no filtro. Para que ela serve?

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    O carvão ativado é cheio de poros minúsculos, e um grama dele tem uma superfície interna enorme.
    Muitas moléculas que dão cheiro e gosto ruins à água ficam presas nessa superfície, o que chamamos de adsorção.
    Como camada do filtro, o carvão também retém flocos pequenos, assim como a areia, e o que o distingue das outras camadas é a adsorção.
    Ele retém moléculas que dão cheiro e gosto à água, presas na sua superfície.
  8. médio

    O que se acumula no fundo do decantador de uma estação de tratamento, e por que esse lodo não pode simplesmente voltar ao rio?

    Ver resolução
    No fundo se acumulam os flocos que desceram, com a argila, os restos do coagulante e os microrganismos presos neles.
    Esse lodo concentra numa pequena quantidade de material o que estava espalhado num grande volume de água.
    Devolvido ao rio sem tratamento, ele provavelmente turvaria e contaminaria de novo a água de quem mora rio abaixo.
    O lodo tem argila, coagulante e microrganismos concentrados, e precisa de tratamento e de destino adequado.
  9. desafio

    Numa cidade, a turbidez da água filtrada sobe de 0,3 para 0,8 NTU e fica nesse valor por vários dias, acima do 0,5 que a portaria pede em 95 % das amostras, enquanto a água decantada continua com 4 NTU. Em que etapa os técnicos devem pensar primeiro, e por quê?

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    A água chega ao filtro tão turva quanto antes, com os mesmos 4 NTU, e por isso a coagulação, a floculação e a decantação parecem estar funcionando.
    O que mudou foi a saída do filtro. Com o uso, os grãos se enchem dos flocos retidos, e um filtro sujo tende a deixar passar partículas, o que pede uma lavagem.
    Se a água decantada também tivesse piorado, valeria olhar antes para a dose de sulfato de alumínio, que poderia estar formando flocos pequenos demais.
    Na filtração, porque só a saída do filtro piorou, e o filtro provavelmente precisa ser lavado.
  10. desafio

    A destilação do passo 7 tira da água tudo o que está dissolvido. Por que as cidades não destilam a água que bebem? Estime a energia para destilar 1 m³ de água a partir de 20 °C, com \(c = 4{,}18\ \text{J/(g·°C)}\), \(L = 2257\ \text{J/g}\) e \(1\ \text{kWh} = 3{,}6 \cdot 10^6\ \text{J}\).

    Ver resolução
    Com a densidade da água, 1 m³ tem \(1000\ \text{kg} = 10^6\ \text{g}\).
    Para aquecer de 20 °C a 100 °C, \(Q_1 = m\,c\,\Delta T = 10^6 \cdot 4{,}18 \cdot 80\), e \(Q_1 \approx 3{,}3 \cdot 10^8\ \text{J}\).
    Para vaporizar, \(Q_2 = m\,L = 10^6 \cdot 2257\), e \(Q_2 \approx 2{,}3 \cdot 10^9\ \text{J}\).
    No total, \(Q \approx 2{,}6 \cdot 10^9\ \text{J}\), e \(\dfrac{2{,}6 \cdot 10^9}{3{,}6 \cdot 10^6} \approx 720\ \text{kWh}\) para cada metro cúbico.
    Uma cidade consome milhares, ou até milhões, de metros cúbicos por dia, e a conta de energia ficaria enorme, enquanto a ETA trabalha quase toda com a gravidade. A água destilada ainda sairia sem os sais minerais, que a água potável pode ter.
    Cerca de \(2{,}6 \cdot 10^9\ \text{J}\), ou 720 kWh por metro cúbico, energia demais para a água de uma cidade inteira.
FECHAMENTO

Desafios

Ponto de ebulição e densidade · Passos 2 e 3

Um frasco sem rótulo tem um líquido incolor. Uma amostra de 50 mL tem massa de 39,5 g, e o líquido ferve a 78 °C a 1 atm. A 20 °C, as densidades são 1,00 g/mL para a água, 0,789 para o etanol, 0,784 para a acetona e 0,786 para o isopropanol, e os pontos de ebulição estão na tabela do passo 2. Que líquido é esse?

Ver resolução
A densidade é \(d = \dfrac{39{,}5}{50} = 0{,}79\ \text{g/mL}\), o que descarta a água, com 1,00 g/mL.
O etanol, a acetona e o isopropanol têm densidades entre 0,78 e 0,79 g/mL, e a densidade sozinha não decide entre eles.
O ponto de ebulição decide. A acetona ferve a 56,1 °C e o isopropanol a 82,3 °C, e só o etanol ferve perto de 78 °C, a 78,3 °C.
É etanol, e precisamos das duas propriedades juntas para dizer isso.
Planejar a separação · Passos 5, 6 e 7

Num balde há areia, sal, limalha de ferro e água, e todo o sal está dissolvido. Quantas fases tem o sistema? Em que ordem separamos tudo, recuperando também a água?

Ver resolução
O sal dissolvido forma uma fase só com a água, e a areia e a limalha são mais duas. São 4 componentes em 3 fases.
Um ímã passado pela mistura, ou pelo sólido depois de seco, puxa a limalha e deixa a areia.
A filtração retém a areia, e a água com sal atravessa o papel, porque o sal dissolvido passa pelos poros.
A destilação simples separa a água, que vira vapor e se condensa no coletor, do sal, que fica no balão.
Três fases. Ímã, filtração e destilação simples, com a destilação no fim, porque só ela separa o que está dissolvido.
Curva de destilação · Passos 2 e 7

Na destilação fracionada de uma mistura de dois líquidos, o termômetro do topo fica em 56 °C por um bom tempo, sobe depressa e fica em 82 °C até o fim. Que líquidos a mistura parece ter, pela tabela do passo 2? O que mostraria a curva de um líquido puro?

Ver resolução
Cada patamar indica um líquido quase puro destilando. O de 56 °C combina com a acetona, de PE 56,1 °C, e o de 82 °C com o isopropanol, de PE 82,3 °C, a 1 atm.
A subida rápida entre os patamares marca o momento em que a acetona acabou no balão.
Um líquido puro ferve numa temperatura só e daria um único patamar, do começo ao fim.
Acetona e isopropanol, muito provavelmente. Um líquido puro daria um patamar só.
Classificar e separar · Passos 4, 5 e 6

Num copo há água, óleo e cubos de gelo. Quantos componentes e quantas fases tem o sistema, ele é homogêneo ou heterogêneo, e como tiramos o óleo? Como no passo 5, contamos o óleo como um componente só.

Ver resolução
O gelo é água sólida, a mesma substância composta, \(\text{H}_2\text{O}\), e não conta como componente novo. São 2 componentes, a água e o óleo.
A água líquida, o óleo e o gelo se distinguem a olho, e são 3 fases. O sistema é heterogêneo.
Esperamos o gelo derreter, ficam duas camadas, e o funil de separação deixa sair a água de baixo e guarda o óleo.
2 componentes, 3 fases, heterogêneo, e o óleo sai no funil de separação depois que o gelo derrete.
A ETA como cadeia de métodos · Passos 6 e 8

Associe cada etapa da estação de tratamento a um método do passo 6, quando houver, e diga que propriedade ela aproveita: gradeamento, coagulação, floculação, decantação, filtração e cloração.

Ver resolução
O gradeamento é uma peneiração grossa, e aproveita o tamanho dos galhos e das folhas.
A floculação prepara a decantação, e a decantação aproveita a densidade dos flocos, maior que a da água.
A filtração aproveita o tamanho das partículas, como o papel de filtro do passo 6.
A coagulação e a cloração não são métodos de separação. São etapas químicas, em que o sulfato de alumínio e o cloro reagem na água.
Peneiração, decantação e filtração separam pelo tamanho ou pela densidade, e as duas etapas químicas preparam a separação ou desinfetam.
Densidade e separação · Passos 3 e 6

Serragem caiu num monte de areia. Como separamos as duas sem peneira, sem ímã e sem filtro, só com um balde de água?

Ver resolução
A areia, com cerca de 2,6 g/cm³, é bem mais densa que a água e vai ao fundo.
A serragem da maioria das madeiras é menos densa que a água e tende a boiar, pelo menos até se encharcar.
Jogamos a mistura na água, mexemos e recolhemos a serragem da superfície, e a areia fica no fundo.
Pela densidade. A serragem boia e a areia afunda.
Calor nas mudanças de estado · Passos 1 e 2

Quanto calor derrete 200 g de gelo a 0 °C, e quanto leva essa água de 0 °C a 100 °C? Use \(L_f = 334\ \text{J/g}\) e \(c = 4{,}18\ \text{J/(g·°C)}\).

Ver resolução
Para derreter, \(Q = m\,L_f = 200 \cdot 334\), e \(Q = 66\,800\ \text{J}\), cerca de 67 kJ, com a temperatura parada em 0 °C.
Para aquecer, \(Q = m\,c\,\Delta T = 200 \cdot 4{,}18 \cdot 100\), e \(Q = 83\,600\ \text{J}\), cerca de 84 kJ.
Derreter o gelo custa quase tanto quanto aquecer a água em 100 °C, e é por isso que o patamar de fusão do passo 2 dura tanto.
Cerca de 67 kJ para derreter e 84 kJ para aquecer.

Questões no estilo ENEM

Escrevemos as cinco questões abaixo no formato do ENEM, com um texto-base tirado do cotidiano, um comando e cinco alternativas, e cada uma retoma um passo diferente da aula. Mais embaixo listamos questões reais da prova sobre separação de misturas, propriedades específicas e tratamento de água, que conferimos nos cadernos oficiais e que talvez sejam o melhor treino depois destas.

  1. Curva de aquecimento · Passo 2

    Numa aula prática, Lia recebeu dois frascos, um com água destilada e outro com água em que alguém dissolveu sal de cozinha, mas os rótulos tinham caído. Ela pôs 100 g de cada amostra em dois béqueres iguais, sobre aquecedores de mesma potência, ao nível do mar, e anotou a temperatura a cada 2 minutos.

    Temperatura (°C)
    Tempo (min)Amostra 1Amostra 2
    02020
    27777
    4100101,9
    6100102,1
    8100102,4
    10100102,8

    Que amostra é a água destilada, e por quê?

    1. A amostra 1, porque a temperatura dela para de subir enquanto ferve, como acontece com uma substância pura.
    2. A amostra 2, porque ferve a uma temperatura mais alta, sinal de que a água está mais pura.
    3. As duas, porque partem de 20 °C e chegam a 77 °C no mesmo tempo.
    4. A amostra 2, porque a temperatura dela continua subindo, sinal de que ainda não começou a ferver.
    5. Nenhuma das duas, porque a água pura ferveria acima de 100 °C ao nível do mar.
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    Resposta: A.
    Uma substância pura ferve numa temperatura fixa para cada pressão, e a curva de aquecimento faz um patamar enquanto ela ferve. Ao nível do mar a água ferve a 100 °C, e a amostra 1 fica ali de 4 a 10 minutos.
    Na água com sal o ponto de ebulição começa acima de 100 °C e sobe conforme a água evapora e a solução fica mais concentrada, sem patamar.
    A alternativa B troca causa e efeito, já que é o sal que eleva o ponto de ebulição. A C olha só para o trecho em que as duas ainda são líquidas e esquentam igual. A D esquece que a amostra 2 já ferve, só que acima de 100 °C, e a E contradiz o próprio ponto de ebulição da água.
  2. Densidade · Passo 3

    Para a feira de ciências, Bia montou numa proveta uma coluna com quatro líquidos que não se misturam de imediato, despejados com cuidado, do mais denso ao menos denso. Depois soltou na proveta uma peça de borracha de 3,4 g e 4,0 cm³.

    Densidade a 20 °C
    Líquidod (g/cm³)
    Mel1,42
    Água1,00
    Óleo0,92
    Álcool0,79

    Onde a peça de borracha para?

    1. No fundo da proveta, abaixo do mel.
    2. Sobre o mel, abaixo da água.
    3. Sobre a água, abaixo do óleo.
    4. Sobre o óleo, abaixo do álcool.
    5. Boiando no alto da coluna, sobre o álcool.
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    Resposta: D.
    \(d = \dfrac{m}{V} = \dfrac{3{,}4}{4{,}0} = 0{,}85\ \text{g/cm}^3\)
    A peça afunda nos líquidos menos densos que ela e boia nos mais densos. Ela é mais densa que o álcool, com 0,79, e menos densa que o óleo, com 0,92, e por isso atravessa o álcool e para sobre o óleo.
    Quem divide o volume pela massa chega a 1,18 g/cm³ e põe a peça sobre o mel, na alternativa B. A C valeria para uma densidade entre 0,92 e 1,00, e a A e a E, para peças mais densas que o mel ou menos densas que o álcool.
  3. Separação de misturas heterogêneas · Passo 6

    Numa cooperativa de reciclagem, as latas de bebida chegam prensadas e misturadas, umas de aço e outras de alumínio, e cada metal é vendido separado. O aço é uma liga feita quase só de ferro, com densidade perto de 7,9 g/cm³, e o alumínio tem densidade de 2,7 g/cm³. A cooperativa quer separar toneladas de latas por dia numa esteira.

    Que equipamento faz essa separação, e que propriedade ele aproveita?

    1. Uma peneira, porque as latas de aço são maiores que as de alumínio.
    2. Um tanque de água, porque as latas de alumínio, menos densas que a água, boiam.
    3. Um eletroímã sobre a esteira, porque o aço é atraído pelo ímã e o alumínio não.
    4. Um filtro de papel, que retém as latas de alumínio e deixa passar as de aço.
    5. Uma centrífuga, porque o aço é mais denso e se separa do alumínio ao girar.
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    Resposta: C.
    O ferro do aço é atraído pelo ímã, e o alumínio não, e essa diferença de magnetismo basta para separar as latas sobre a esteira, como a limalha de ferro da areia no passo 6.
    A peneira da A falharia mesmo que as latas tivessem tamanhos diferentes, porque o tamanho de uma lata prensada depende de como ela foi feita e amassada, e não do metal. A B erra a conta da densidade, porque o alumínio, com 2,7 g/cm³, é mais denso que a água, e uma lata prensada afunda. O filtro da D separa um sólido de um líquido, e a centrífuga da E acelera a decantação de partes que estão num líquido, o que não é o caso de latas inteiras.
  4. Destilação · Passo 7

    Em comunidades do semiárido que só têm água salobra, um destilador solar pode fornecer água para beber. Ele é uma caixa rasa e escura com a água salobra no fundo, coberta por um vidro inclinado. O sol aquece a água, o vapor sobe, se condensa no vidro, mais frio, e as gotas escorrem até uma calha que as leva a um galão.

    O que descreve o processo e a água que chega ao galão?

    1. É uma filtração, em que o vidro retém o sal e deixa passar a água.
    2. É uma destilação simples, em que só a água vira vapor, o sal fica na caixa e a água do galão sai com muito menos sal.
    3. É uma decantação, em que o sal desce ao fundo da caixa e a água limpa sobe pelo vidro.
    4. É uma destilação fracionada, que separa dois líquidos de pontos de ebulição diferentes.
    5. É uma evaporação, e a água do galão leva o mesmo sal que havia na caixa.
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    Resposta: B.
    O sal dissolvido não vira vapor nas temperaturas da caixa, e o vapor que sobe é de água. Ele se condensa no vidro, como no condensador do passo 7, e a água recolhida sai quase sem sal, enquanto o sal se acumula na caixa.
    O vidro da A não é um filtro, porque o que chega a ele já é vapor. O sal dissolvido da C não decanta, já que forma uma mistura homogênea com a água. A D pede dois líquidos, e aqui há um líquido com um sólido dissolvido. A E acerta a evaporação, mas esquece que o sal fica para trás, e a evaporação sozinha, sem recolher o vapor, perderia a água no ar.
  5. Tratamento de água · Passo 8

    Dona Cida sentiu cheiro de cloro na água da torneira e ligou para a companhia de saneamento, achando que algo tinha dado errado. A técnica que atendeu explicou que a Portaria GM/MS 888/2021, do Ministério da Saúde, obriga a manter pelo menos 0,2 mg/L de cloro residual livre, ou uma dose equivalente de outra forma de cloro, em toda a rede de distribuição e nos pontos de consumo, e que um leve cheiro de cloro é comum.

    Por que a companhia deixa cloro na água que já passou por todas as etapas do tratamento?

    1. Para deixar a água pura, sem nenhuma outra substância.
    2. Para continuar desinfetando a água no caminho pelos reservatórios e pelos canos, onde ela pode se contaminar de novo.
    3. Para reduzir a turbidez que sobrou depois da filtração.
    4. Para fazer as partículas de argila grudarem e decantarem dentro dos canos.
    5. Para prevenir a cárie nos moradores.
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    Resposta: B.
    A água percorre quilômetros de canos e passa por reservatórios até chegar às casas, e nesse caminho pode receber microrganismos por um vazamento ou uma conexão mal feita. O cloro que ficou dissolvido continua agindo e mata esses microrganismos antes da torneira.
    A alternativa A confunde potável com pura, e o próprio cloro é mais uma substância na mistura. A turbidez da C é tarefa da decantação e da filtração, e a D descreve a coagulação, que acontece na estação. A cárie da E é assunto do flúor, da fluoretação.

Questões reais do ENEM sobre estes temas

Conferimos cada questão no caderno oficial publicado pelo INEP, pelo ano, pelo dia, pela cor do caderno e pelo número.

Provas e gabaritos do ENEM no site do INEP →

Cola da aula

Densidade\(d = m/V\)
Propriedades específicas, a 1 atmPF e PE
Curva de aquecimentopatamar = substância pura, rampa = mistura
Calor sensível\(Q = m\,c\,\Delta T\)
Calor latente\(Q = m\,L\)
Simples, composta, misturaum elemento · vários elementos · várias substâncias
Componentes e fasessubstâncias diferentes · partes que se distinguem
Solubilidade do NaCl, a 20 °C≈ 36 g / 100 g de água
Limite da destilação de água + etanol≈ 96 %v
Mistura → método
MisturaMétodo
Sólido + líquido, sem dissolverfiltração
Líquidos imiscíveisfunil de separação
Sólido magnético + outro sólidoímã
Sólido dissolvido num líquidoevaporação ou destilação simples
Líquidos miscíveisdestilação fracionada